Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 12, стр. 1717-1723

Экспериментальное исследование фазовых равновесий в системе железо–гольмий

И. А. Баженова a*, Ю. Д. Шакирова a, А. В. Хван a, В. В. Чеверикин a

a НИЦ “Термохимия материалов”, НИТУ МИСИС
Москва, Россия

* E-mail: i.risk.a91@mail.ru

Поступила в редакцию 19.04.2022
После доработки 22.04.2022
Принята к публикации 28.04.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучены фазовые равновесия в системе Fe–Ho с использованием методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) и дифференциального термического анализа (ДТА). Определено, что фазы Ho2Fe17, HoFe3, HoFe2 плавятся конгруэнтно, а Ho6Fe23 образуется в ходе перитектической реакции. Также определены температуры и составы жидкости для следующих превращений: L ⇄ (αHo) + HoFe2 (922 ± 1°C, 66 aт. % Ho), L ⇄ HoFe3 + + HoFe2 (1290 ± 1°C, 30 aт. % Ho), L ⇄ Ho6Fe23 + Ho2Fe17 (1282 ± 3°C, 20 aт. % Ho), L ⇄ (γFe) + + Ho2Fe17 (1335 ± 1°C, 9 aт. % Ho).

Ключевые слова: фазовые диаграммы, магнитные материалы, редкоземельные магниты

Сплавы и соединения редкоземельные элементы–переходные металлы (РЗЭ–ПМ) известны уникальными магнитными свойствами, для них характерны высокие температуры Кюри, высокая коэрцитивная сила, магнетострикционные свойства, магнетокалорический эффект и т.д. [13]. Одна из наиболее перспективных задач современного развития магнитных материалов – улучшение физических и химических свойств магнитов на основе системы Nd–Fe–B. Легирование данной системы гольмием (Ho) позволит повысить структурную стабильность аморфных и кристаллических магнитных материалов [4, 5]. Добавка Ho к гидридам Sm2Fe17 способствует повышению температуры Кюри [6]. Разработка новых материалов на основе систем РЗЭ-ПМ должна быть основана на надежных данных о фазовых равновесиях в соответствующих системах.

Экспериментальное исследование равновесий в системе Ho–Fe проводилось ранее только в работе Roe and O’Keefe [7]. Авторы использовали методы РФА, металлографии и дифференциального термического анализа (ДТА). В данной системе были обнаружены четыре интерметаллических соединения: Ho2Fe17, Ho6Fe23, HoFe3 и HoFe2. Nassau и др. [8] отмечали также, что в системе существует соединение Fe5Ho со структурой типа CaCu5, но это предположение не подтвердилось в последующих исследованиях. Согласно данным [7], фазы Ho2Fe17 and Ho6Fe23 плавятся конгруэнтно при 1332 и 1343°C, соответственно, а HoFe3 и HoFe2 образуются по перитектическим реакциям при 1293 и 1288°C, соответственно. В системе присутствуют три эвтектических превращения: L ⇄ Ho2Fe17 + (γFe) при 1338°C и 8.3 aт. % Ho, L ⇄ ⇄ Ho2Fe17 + Ho6Fe23 при 1284°C и 17.8 aт. % Ho, и L ⇄ (αHo) + HoFe2 при 875°C и 63.1 aт. % Ho. Однако следует отметить некоторые несоответствия в фазовой диаграмме системы гольмий–железо, предложенной в [7]:

– ликвидус фазы Ho6Fe23 выглядит слишком асимметрично;

– практически горизонтальный ликвидус вблизи температуры плавления HoFe2 выглядит нереалистично;

– согласно данным [7], температура перитектического образования HoFe2 составляет 1288°C, что гораздо ниже указанной в [9];

– вероятней всего, HoFe2 плавится конгруэнтно, что следует из закономерностей характера образования данной фазы с увеличением атомного номера РЗЭ. Как известно, с увеличением атомного номера РЗЭ наблюдается переход с инкогруэнтного на конгруэнтный тип плавления соединений;

– неизвестна растворимость Ho в твердом растворе на основе (Fe) так же, как и растворимость Fe в (Ho).

Довольно ограничены данные и по термодинамическим свойствам фаз этой системы. В работах [10, 11] получены данные по низкотемпературной теплоемкости HoFe2, а в [12, 13] – определены энтальпии образования Ho2Fe17, Ho6Fe23 и HoFe2. В литературе предложено несколько вариантов термодинамических моделирований фазовых равновесий в этой системе. В [14] предложен вариант диаграммы, не вполне согласующийся с имеющимися экспериментальными данными: 1) Ho2Fe17 и Ho6Fe23 нестабильны при низких температурах; 2) получена более высокая температура и более обогащенный железом состав эвтектики L⇄Ho2Fe17 + Ho6Fe23; 3) соединение HoFe2 плавится конгруэнтно; 4) состав эвтектики L ⇄ ⇄ Ho2Fe17 + (γFe) более обогащен гольмием. Авторы [15] предложили вариант с большей областью стабильности Ho2Fe17 и Ho6Fe23 и несколько отличными составами эвтектик: L ⇄ Ho2Fe17 + (γFe) и L ⇄ (αHo) + HoFe2. Модели, предложенные в [16] воспроизводят фазовые равновесия в системе, практически идентичные полученным в работе [15].

Новые модели указанной системы не разрешают противоречий, существующих в данных для фазовых равновесий, что доказывает необходимость проведения новых экспериментальных исследований фазовых равновесий в системе Fe–Ho. Поэтому цель данной работы – детальное изучение условий сосуществования фаз в системе Fe–Ho с использованием экспериментальных методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) и дифференциального термического анализа (ДТА).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Получение образцов. В качестве исходных материалов использовали Ho–99.9%, Fe–99.9%. Плавку осуществляли в дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом на водоохлаждаемой медной изложнице. Металлы плавили в атмосфере аргона, дополнительно очищенной расплавом Zr. Масса каждого из полученных слитков составляла ⁓3 г. Образцы взвешивали на аналитических весах и потери массы составляли, как правило, менее 1.5%. Химический состав образцов уточняли при помощи метода МРСА; полученный химический состав был достаточно близок к зашихтованному.

Микроструктурный анализ. Пробоподготовку осуществляли при помощи полировальной машины (Struers Labopol-5, Дания). Шлифование проводили с использованием SiC-бумаги, дисков с алмазным и тканным покрытием. В ходе полировки использовали алмазные суспензии с размером абразива 6, 3 и 1 мкм. Образцы исследовали при помощи оптического микроскопа (ОМ) (Olympus-GX71F-5, UK) и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) TESCAN VEGA LMH с системой рентгеновского энерго-дисперсионного микроанализа Oxford Instruments Advanced AZtecEnergy. Для микроструктурного анализа образцы смотрели в режимах отраженных электронов (ОЭ) и ВЭ.

Дифференциальный термический анализ. Температуры фазовых равновесий измеряли при помощи DSC LABSYS evo Setaram. Для калибровки использовали стандартные металлы: Sn (99.9995%), Al (99.995%), Au (99.99%), Ni (99.99%), Ag (99.99%), Cu (99.999%), Pb (99.9995%), Fe (99.99%) и Pd (99.99%). Литые образцы помещали в тигли из Al2O3, эксперимент проводили в атмосфере аргона чистоты 99.998%. Скорость нагрева составляла, как правило, 5 К/мин, типичная скорость охлаждения 10 К/мин. Температуры нонвариантных превращений определяли по началу пика на кривой нагрева, поскольку эффект перегрева несколько меньше, чем эффект переохлаждения. Температуры ликвидуса определяли по началу возвращения на базис-линию.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Фазовые равновесия в системе Ho–Fe изучали методами ДТА, СЭМ и МРСА. Характеристики образцов, использованных для определения характера фазовых превращений (включая данные МРСА и ДТА), представлены в табл. 1 и 2. На основе этих данных была получена экспериментальная фазовая диаграмма системы Fe–Ho. На рис. 1 представлены изображения в режиме ОЭ (отраженных электронов) образцов литых железо-гольмиевых сплавов разных составов. Литой образец состава 8.5 aт. % Ho практически полностью эвтектический (рис. 1a). Температура превращения L ⇄ (γFe) + Ho2Fe17 (1335°C) достаточно близка к температуре (1338°C), ранее указанной в работе [7].

Таблица 1.  

Химический состав фаз литых образцов системы Ho–Fe согласно данным МРСА

Состав сплавов, aт. % Порядок кристаллизации/фазовый
состав
Данные МРСА, aт. %
номи-нальный реальный Фаза Ho Fe
Ho Fe Ho Fe
1 9 91 8.5 91.5 L → эвтектика ((δFe) + Ho2Fe17) (αFe) 0.1 ± 0.1 99.9 ± 0.1
Ho2Fe17 10.1 ± 0.1 89.9 ± 0.1
Эвтектика ((δFe) + Ho2Fe17) 8.8 ± 0.1 91.2 ± 0.1
2 16 84 14.9 85.1 L → Ho2Fe17 → эвтектика
(Ho6Fe23 + Ho2Fe17)
Ho2Fe17 10.7 ± 0.1 89.3 ± 0.1
Ho6Fe23 20.5 ± 0.1 79.5 ± 0.1
3 22 78 20.5 79.5 L → HoFe3 → Ho6Fe23 → → эвтектика
(Ho6Fe23 + Ho2Fe17)
HoFe3 24.3 ± 0.1 75.7 ± 0.1
Эвтектика (HoFe3 + Ho2Fe17) 20.1 ± 0.1 79.9 ± 0.1
Ho2Fe17 11.2 ± 0.2 88.8 ± 0.2
Ho6Fe23 20.9 ± 0.2 79.1 ± 0.2
4 25 75 23.3 76.7 L → HoFe3 → Ho6Fe23 → → эвтектика
(Ho6Fe23 + Ho2Fe17)
HoFe3 24.6 ± 0.3 75.4 ± 0.3
Эвтектика (HoFe3 + Ho2Fe17) 19.5 ± 0.1 80.5 ± 0.1
Ho2Fe17 11.7 ± 0.6 88.3 ± 0.6
Ho6Fe23 20.8 ± 0.1 79.2 ± 0.1
5 27 73 25 75 L → HoFe3 → Ho6Fe23 HoFe3 24.7 ± 0.2 75.3 ± 0.2
Ho6Fe23 21.1 ± 1 78.9 ± 1
6 30 70 29.3 70.7 L → HoFe3→ эвтектика (HoFe2 + HoFe3) HoFe3 24.9 ± 0.2 75.1 ± 0.2
HoFe2 32.5 ± 0.2 67.5 ± 0.2
7 33 67 31.3 68.7 L → HoFe2 → эвтектика (HoFe2 + HoFe3) HoFe2 32.5 ± 0.1 67.5 ± 0.1
HoFe3 24.8 ± 0.2 75.2 ± 0.2
8 34 66 32.3 67.7 L → HoFe2 → эвтектика (HoFe2 + HoFe3) HoFe2 32.4 ± 0.2 67.6 ± 0.2
HoFe3 25.1 ± 0.4 74.9 ± 0.4
9 38 62 36.2 63.8 L → HoFe2 → эвтектика (HoFe2 + Ho) HoFe2 33.2 ± 0.2 66.8 ± 0.2
Вырожденная эвтектика
(HoFe2 + Ho)
93.6 ± 1.1 6.4 ± 1.1
10 43 57 40.5 59.5 L → HoFe2 → эвтектика (HoFe2 + Ho) HoFe2 33.1 ± 0.3 66.9 ± 0.3
Эвтектика (HoFe2 + Ho) 64.0 36.0
11 52 48 49.5 50.5 L → HoFe2 → эвтектика (HoFe2 + Ho) HoFe2 33.5 ± 0.5 66.5 ± 0.5
Эвтектика (HoFe2 + Ho) 65.9 ± 0.6 34.1 ± 0.6
12 65 35 59.9 40.1 L → HoFe2 → эвтектика (Ho + HoFe2) HoFe2 34.2 ± 0.3 65.8 ± 0.3
Эвтектика (Ho + HoFe2) 65.8 ± 0.9 36.2 ± 0.9

1 Фаза, образующаяся первично, выделена жирным шрифтом.

Таблица 2.  

Температуры фазовых превращений (°С) в системе Ho–микрорентгеноспектральный анализ Fe

Сплав, aт. % Лик-видус Нонвариантные превращения
Ho Fe L ⇄ ⇄ (γFe) + + Ho2Fe17 L ⇄ ⇄ Ho2Fe17 L ⇄ ⇄Ho2Fe17 + + Ho6Fe23 L + + HoFe3 ⇄ ⇄ Ho6Fe23 L ⇄ ⇄ HoFe3 L ⇄ ⇄ HoFe3 + + HoFe2 L ⇄ ⇄ HoFe2 L ⇄ ⇄ (αHo) + + HoFe2
1 8.5 91.5 1350 1335
2 14.9 85.1 1328 1279  
3 20.5 79.5 1284 1294
4 23.3 76.7 1333 1292
5 25 75 1328 1294 1328
6 29.3 70.7 1291
7 31.3 68.7 1298 1289
8 32.3 67.7 13062 1290
9 36.2 63.8 1293
10 40.5 59.5 1278
11 49.5 50.5 1199 924
12 59.9 40.1 972 920
Среднее значение1 1335 13453 1282 ± 3 1293 ± 1 1328 1290 ± 1 13103 922 ± 1

1 Стандартное отклонение среднего.

2 Данные из кривых охлаждения.

3 Данные, полученные на основе экстраполяции кривых ликвидуса.

Рис. 1.

Микроструктуры литых сплавов системы Ho–Co: a – 8.5Ho–91.5Fe, ×2000, эвтектика ((γFe) + Ho2Fe17); б – 20.5Ho–79.5Fe, ×2000, HoFe3 + Ho6Fe23 + эвтектика (Ho2Fe17 + Ho6Fe23); в – 23.3Ho–76.7Fe, ×1000, HoFe3 + Ho6Fe23 + + эвтектика (Ho2Fe17 + Ho6Fe23); г – 29.3Ho–70.7Fe, ×500, HoFe3 + эвтектика (HoFe2 + HoFe3); д – 31.3Ho–68.7Fe, ×500, HoFe2 + эвтектика (HoFe2+ HoFe3).

Конгруэнтное плавление Ho2Fe17, которое наблюдали в [7], было подтверждено и в данной работе. Температура конгруэнтного плавления Ho2Fe17, оцененная по результатам наших исследований (1345°C), хорошо согласуется с температурой 1343°C из работы [7].

В отличие от работы [7], в данном исследовании не было подтверждено конгруэнтное плавление Ho6Fe23. В образцах 20.5 и 23.3 aт. % Ho, HoFe3 является первичной фазой (рис. 1б, 1в). В сплаве 20.5 aт. % Ho (рис. 1б) можно проследить следующий порядок кристаллизации: первоначально кристаллизуется HoFe3, а затем в ходе перитектической реакции L + HoFe3 ⇄ Ho6Fe23 образуется Ho6Fe23 при 1293°C. Кристаллизация заканчивается при 1282°C эвтектической реакцией L ⇄ ⇄ Ho6Fe23 + Ho2Fe17. Кривая нагрева с соответствующими фазовыми превращениями представлена на рис. 2a. Температура эвтектики, определенная нами, достаточно близка к рекомендуемой в [7], однако составы эвтектики отличаются; по-видимому, эвтектика более обогащена гольмием (⁓20 aт. % Ho).

Рис. 2.

Кривые ДТА литых сплавов системы Ho–Fe, нагрев 5К/мин: 23.3Ho–76.7Fe (а), 31.3Ho–68.7Fe (б), 59.9Ho–40.1Fe (в).

Структура сплава с 25 aт. % Ho практически однофазная и содержит лишь небольшое количество Ho6Fe23. Поэтому температура ликвидуса данного сплава должна быть близка к температуре конгруэнтного плавления HoFe3. Температура данного превращения L ⇄ HoFe3, определенная нами, составила 1328°C. Также в данной работе подтвердились конгруэнтное плавление HoFe2 и эвтектическая реакция с участием HoFe3 и HoFe2, предложенные авторами [15] и [16] на основании термодинамического моделирования. Образец с 29.3 aт. % Ho (рис. 1г) содержит в структуре первичные кристаллы HoFe3 и эвтектику, состоящую из HoFe3 и HoFe2. Температура эвтектической реакции L ⇄ HoFe3 + HoFe2 составляет 1290 ± 1°C. Данная температура была определена на основе усредненных данных ДТА для сплавов, содержащих 29.3, 31.3 и 32.3 aт. % Ho, соответственно. Согласно данным ДТА, для сплава 31.3Ho–68.7Fe, представленным на рис. 2б, при 1289°C имеет место эвтектическое превращение L ⇄ HoFe3 + HoFe2. Химический состав жидкой фазы при данном превращении должен быть близок к 30 aт. % Ho. Микроструктура образца, содержащего 31.3 aт. % Ho (рис. 1д) уже имеет заэвтектический характер с первичными кристаллами HoFe2 и игольчатой эвтектикой HoFe3 + HoFe2.

Температура конгруэнтного плавления HoFe2 (1310°C) была получена в результате экстраполяции данных по температурам ликвидуса образцов вблизи 33.3 aт. % Ho. Все полученные литые образцы, содержащие более 33.3 aт. % Ho, имели одинаковый фазовый состав. Во всех образцах первично кристаллизовалась фаза HoFe2. Затем при охлаждении в образцах происходило эвтектическое превращение L ⇄ (αHo) + HoFe2. Согласно [7], температура эвтектической реакции составляет 875°С, что на 47°C ниже полученной нами (922 ± 1°C). Температура данной эвтектической реакции была определена на основании данных ДТА образцов 59.9Ho–40.1Fe (рис. 2в) и 49.5Ho–50.5Fe. Такое различие в температурах нонвариантного превращения с данными [7], вероятно, объясняется более высокой чистотой Ho, использованного в настоящей работе. В структуре данных сплавов видны первичные кристаллы фазы Лавеса HoFe2, окруженные эвтектикой ((αHo) + + HoFe2) (табл. 2). Состав эвтектики, определенный, согласно данным МРСА, соответствует 65.9 aт. % Ho. Таким образом, состав эвтектики оказался несколько более обогащенным Ho, нежели это было предложено в [7].

На рис. 3а, 3б представлена новая версия фазовой диаграммы Ho-Fe для всего интервала концентраций, полученная нами. Основные различия с версией диаграммы Ho-Fe, предложенной в работе [7], следующие:

Рис. 3.

Фазовая диаграмма системы Ho–Fe: а – общая диаграмма, б увеличенный фрагмент области диаграммы от 0 до 40 ат. % Ho; точки – данные ДТА.

• соединения HoFe3 и HoFe2 плавятся конгруэнтно при 1328 и 1310°C, соответственно, в то время как Ho6Fe23 образуется по перитектической реакции при 1293 ± 1°C;

• температура эвтектической реакции L ⇄ ⇄ (αHo) + HoFe2 составляет 922°C, что на 47°C выше предложенной в [7] (875°C).

При термодинамическом моделировании системы Fe–Ho авторы работ [15] и [16] также предлагали конгруэнтное плавление HoFe2. При этом следует отметить, что все предложенные варианты моделирования данной системы ([14], [15], [16]) дают температуру эвтектической реакции L ⇄ Ho6Fe23 + Ho2Fe17 на 30°C выше, чем было предложено в [7] и в данной работе. Принимая во внимание приведенные данные и расхождения между экспериментальными и расчетными результатами, можно сделать вывод о необходимости проведения реоптимизации данной системы.

Таким образом, в результате проведенного экспериментального исследования равновесий в системе Fe–Ho с использованием методов СЭМ, МРСА и ДТА получена новая версия фазовой диаграммы. Согласно полученным данным, соединения Ho2Fe17, HoFe3, HoFe2 образуются по механизму конгруэнтного плавления, в то время как Ho6Fe23 образуется в результате перитектической реакции. Уточнены температуры и составы жидкости для следующих реакций: L ⇄ (αHo) + + HoFe2 (922 ± 1°C, 66 aт. % Ho), L ⇄ HoFe3 + + HoFe2 (1290 ± 1°C, 30 aт. % Ho), L ⇄ Ho6Fe23 + + Ho2Fe17 (1282 ± 3°C, 20 aт. % Ho), L ⇄ (γFe) + + Ho2Fe17 (1335 ± 1°C, 9 aт. % Ho). Полученные новые данные частично уточняют имеющиеся, но при этом есть и принципиальные отличия от приведенных в литературе, что предполагает реоптимизацию этой системы с построением новых термодинамических моделей для адекватного описания фазовых равновесий.

Список литературы

  1. Buschow K.H.J. // Reports on Progress in Physics. 1977. V. 40. № 10. P. 1179.

  2. Zheng X.Q., Shao X.P., Chen J. et al. // Appl. Phys. Lett. 2013, V. 102. № 2. P. 022421.

  3. Franco V., Blázquez J.S., Ipus J.J. et al. // Progress in Materials Science. 2018. V. 93. P. 112

  4. Tereshina I.S., Kudrevatykh N.V., Ivanov L.A. et al. // J. Materials Engineering and Performance.2017. V. 26. № 10. P. 4676.

  5. Tereshina I.S., Pelevi I.A., Tereshina E.A. et al. // J. Alloys and Comp. 2016. V. 681. P. 555.

  6. Veselova S.V., Tereshin, I.S., Verbetsky V.N. et al. // Techn. Phys. Lett. 2021. P. 1.

  7. Roe G.J. and O’keefe T.J. // Metallurgical Trans. 1970. V. 1. № 9. P. 2565.

  8. Nassau K., Cherry L.V. and Wallace W.E. // J. Phys. and Chem. Solids.1960. V. 16. № 1–2. P. 123.

  9. O’keefe T.J., Roe G.J. et al. // J. Less Common Metalls. 1968. V. 15. № 3. P. 357.

  10. Germano D.J., Butera R.A and Gschneidner K.A. (Jr.) // J. Solid State Chem. 1981. V. 3. № 3. P. 383.

  11. Germano D.J. and Butera R.A. // Phys. Rev. B. 1981. V. 24. № 7. P. 3912.

  12. Gozzi D., Iervolino M. and Latini A. // J. Chem. & Engineering Data. 2007. V. 52. № 6. P. 2350.

  13. Meschel S.V., Nash P., Gao Q.N. et al. // J. Alloys and Comp. 2013. V. 554. P. 232.

  14. Kardellass S., Servant C., Selhaoui et al. // J. Chem. Thermodyn. 2014. V. 74. P. 78.

  15. Konar Bikram, Junghwan Kim, and In-Ho Jung // J. Phase Equilibria and Diffusion. 2017. V. 38. № 4. P. 509.

  16. Xu L., Wang J., Li S., Chen X.L. et al. // Calphad. 2019. V. 66. P. 101646.

Дополнительные материалы отсутствуют.